數(shù)控激光切割機結構設計

周 春

（深圳市思邁達智能設備有限公司,廣東深圳 518000）

1 數(shù)控激光切割機概述

1.1 激光切割技術

激光光斑較小，能量密度較高，且激光束方向固定，照射到被加工元件上會產(chǎn)生大量的熱量，被切割元件在一瞬間汽化或熔化，從而達到切割的目的。由于激光加工時與被加工元件的接觸面積很小，被加工元件在切割時也不會產(chǎn)生形變，因此激光切割機的切割質量非常好，在高精度的加工生產(chǎn)中應用廣泛。

1.2 數(shù)控激光切割機的特點

（1）從作用上看，數(shù)控激光切割機是一種以激光為動力，結合數(shù)控技術對各種元件進行切割、沖壓等工序的設備。激光切割技術因其切割速度快，切割縫隙小等優(yōu)點而被廣泛應用于金屬材料的切割，例如以工業(yè)母機為代表的機械設備，激光切割技術保證了金屬切割的速度與穩(wěn)定性；通過配置功率不同的光纖激光器，數(shù)控激光切割機可以對各類金屬元件進行打孔、切割等操作。數(shù)控激光切割機的優(yōu)點有：①效率高：從設計圖到加工樣品的轉換周期較短。②切削精度高：能夠實現(xiàn)高精密的反復切削，不會因為反復多次地切割而改變其切割精度。③切削速度快：特別是可以快速地切割堅硬的金屬材料，數(shù)控激光切割機在金屬材料上的切削能力是普通磨削機的5倍。④安全性高：與砂輪切割、鋸切割等常規(guī)切割方式相比，具有更高的安全性。

（2）從結構形式來看，目前市面上的數(shù)控激光切割機主要有：懸臂式、龍門式和橫梁倒掛式3種。

懸臂式結構簡單，開放性好，能夠從3個方向接近加工區(qū)域。采用單邊驅動，不存在龍門結構雙邊驅動的同步問題。但是懸臂結構運動部件重量較大，單點支撐的懸臂結構靜、動態(tài)剛度遠遠不如龍門結構，難以滿足高動態(tài)特性、高精度要求，所以懸臂結構激光切割機在早期機型中采用較多，在現(xiàn)代機型中采用較少。圖1為懸臂結構切割機示意圖。

圖1 懸臂結構切割機示意圖

圖2所示為龍門式激光切割機。龍門式結構可分為長龍門式和短龍門式。長龍門式工作區(qū)間大好，操作簡便，但因運動部件的重量較大，橫梁靜態(tài)和動態(tài)剛度較差，因此在高動態(tài)響應、高精度的激光切割機上應用不多；而短龍門式運動部件重量較輕，橫梁靜態(tài)和動態(tài)剛度較優(yōu)，再搭配上高性能的數(shù)控系統(tǒng)，如西門子公司生產(chǎn)的840D 和 Fanuc 18i，就可以輕松實現(xiàn)雙邊同步驅動。因此短龍門結構是現(xiàn)代數(shù)控激光切割機的主流結構，尤其適合高動態(tài)特性、高精度的要求。

圖2 龍門式數(shù)控激光切割機示意圖

圖3為橫梁倒掛式結構示意圖，此結構工作區(qū)間也較大，橫梁剛度介于上述兩種結構之間，但由于機架結構尺寸較大，安裝調試方面相比于上述兩種結構較為復雜，因此在現(xiàn)階段的數(shù)控激光切割機中應用較少。

圖3 橫梁倒掛式結構示意圖

2 數(shù)控激光切割機新型結構設計

新型數(shù)控激光切割機結構如圖4所示。

圖4 新型數(shù)控激光切割機結構示意圖

（1）底座。數(shù)控激光切割機最基本的零件是機床的底座，由于底座上安裝了絲杠傳動機構和電機，二者都具有一定的運動加速度，這部分運動加速度會對設備施加一定的沖擊力，隨著運行時間的增加，設備的底座勢必會產(chǎn)生一定的位移，一旦數(shù)控激光切割機的底座出現(xiàn)了位移情況，會影響激光發(fā)射裝置的穩(wěn)定性。因此，新的數(shù)控激光切割機在設計時應卓眾關注這一問題?？刹扇〖又氐鬃亓康姆绞絹硖岣咴O備整體的慣性，從而達到設備穩(wěn)定運行的目的。按照以往的設計經(jīng)驗來看，底座的重量一般為設備本身所受加速度沖擊力的15倍。

（2）隨動裝置。數(shù)控激光切割機的隨動裝置的主要功能是在設備運行過程中，對切削件的加工表面光滑度進行檢測和控制。為判斷由激光器所發(fā)出的光束在聚焦后的焦點是否在工件上，采用伺服馬達及絲杠驅動機構對切割頭高度進行調節(jié)，激光光束聚焦后，聚焦的部位會對切口的縫隙大小和質量高低造成很大的影響，所以對隨動裝置的要求很高，一般情況下，檢測的精度要達到0.010 mm。同時，隨動機構的驅動轉速為5m/min，不宜過高或過低，太高會引起切割頭的振動，過低會使切割頭切割速度過低，造成資源的浪費。

（3）運動機構。數(shù)控激光切割機的運動機構是影響設備加工性能好壞的重要因素。在進行機械機構的優(yōu)化設計時，首先要考慮的問題是負載的慣性比值。目前，普通的常用電機比例約為1 ∶10，但是，要使數(shù)控激光切割機的傳動性能達到最優(yōu)，最好將其負載慣性比設定在1 ∶3左右。

（4）光路設計。激光切割機的外光路主要由圓偏振反射鏡片、線偏振反射鏡片及聚焦透鏡等組成。激光器、導光系統(tǒng)與設備集成為一體，因此，光路系統(tǒng)十分穩(wěn)定且便于調節(jié)，從而保證了優(yōu)質的光束質量。導光系統(tǒng)包括反射鏡和聚焦透鏡，所有的鏡片均密封于相同體積且有一定壓力的環(huán)境空間中，這種方式可以避免灰塵附上鏡片，降低鏡片反射效率。反射鏡在光束反射時會產(chǎn)生熱量，可通過冷卻水帶走這部分熱量，避免鏡面的曲率發(fā)生變化，保證光路的恒定和精確的聚焦條件，且所有鏡片的拆裝和清潔非常簡單。

（5）切割頭。切割頭的設計應做到簡單快捷地更換不同焦距的透鏡（5'和 7.5'焦距透鏡），且在更換后，無須對任何光路系統(tǒng)進行調整。在切割頭上安裝有專業(yè)的用于防碰撞的保護系統(tǒng)，當切割頭受到不同方向的外力撞擊后，可以迅速恢復至原定工作位置，以此來保證了機床的加工精度。

3 結束語

數(shù)控激光切割機是一種高精度的工件機械。在機械結構的設計中，既要保證機械的穩(wěn)定，又要兼顧激光光束的特性，又要兼顧人機的關系。為此，文章在對典型的數(shù)控激光切割機床進行結構優(yōu)化的基礎上，對其進行優(yōu)化，最終達到滿足實際加工要求的目的。